Técnicas avançadas para o
estudo do cérebro: EEG, NIRS e
fMRI
20/02/2014
Contexto
IFGWHC
Conteúdo
• Cérebro
• Técnicas para a medida da dinâmica cerebral
– Eletroencefalografia
– Tomografia óptica
– Ressonância magnética
• Ressonância funcional • Espectroscopia funcional
– Técnicas conjugadas (abordagens multimodais)
Estrutura básica
substância
cinza
substância
branca
fluido
cerebrospinal
O neurônio
Metabolismo anaeróbico e
aeróbico
Microcirculação: suprimento
de sangue para o cérebro
Técnicas para a medida da
dinâmica cerebral
Fisiologia da ativação neuronal
• Disparos Neurais
atividade eletromagnética
– Detecção: MEG, EEG
• Reações Bioquímicas
atividade metabólica
– Detecção: PET, SPECT, MRS
• CMRO2: cerebral metabolic rate of O2 consumption
• Resposta Vascular
atividade hemodinâmica
– Detecção: PET, NIR-DOT, fMRI • BOLD
Eletroencefalografia (EEG)
www.sciencedaily.com/releases/2009/ 12/091204103751.htm
Eletroencefalograma (EEG)
• Traçado do EEG
possui relação
direta com
disparos
neuronais
• Amplitude de
(30-100Hz) e
fase de
(2-4Hz)
EEG – localização de fontes e
mapas topográficos
Michel et al. 2004 http://dx.doi.org /10.1016/j.clinph .2004.06.001 Problema inverso “mal-posto” ou “mal-condicionado”EEG - características
• Medida direta da ativação neuronal
• Baixa resolução espacial
(~ 4 cm
2)
• Baixo alcance
(profundidade)
• Altíssima resolução temporal
(~1 kHz / 1 ms)
Propagação da luz em meios
materiais
• Somente absorção (s 0) => luz se propaga em linha reta
• Meios turvos ou densos => moléculas
espalham luz (s >> a) => luz se difunde no meio => óptica de difusão (DOT)
• Tecido biológico => meio turvo na região do vísivel e infra-vermelho próximo (NIR) s 0 s >> a
Interação luz - tecido
• “Janela óptica” na região do NIR => luz penetra alguns cm dentro do tecido • Nesta janela maiores absorvedoras de luz (cromóforos) são oxi (HbO2) e desoxihemoglobina (Hb)
NIR-DOT – localização de fontes
e mapas topográficos
Benaron et al. 2000 http://dx.doi.org /10.1097/00004 647-200003000-00005 Problema inverso “mal-posto” ou “mal-condicionado”NIR-DOT – características
• Medida indireta da ativação neuronal
– Fornece medidas de HbO
2e Hb (HbT
volume
sanguíneo)
• Baixa resolução espacial
(~ 4 cm
2)
• Baixo alcance
(profundidade)
• Alta resolução temporal
(~ 25 Hz / 40 ms)
Spins de prótons (
1H) num campo
magnético
• Spins estão em estados que são combinações lineares de |> e |> • No equilíbrio à temperatura ambiente: população |> é maior que população |>
Fenômeno de MR
Relaxação:
2 processos
independentes
M0 retorna ao equilíbrio (relaxação)Dados medidos no “espaço-k”
Espaço-k
Dados adquiridos
Espaço da imagem
Imagem final
www.biac.duke.edu/education/courses/fall04/fmri/FT
Densidade de prótons Ponderada em T2 Ponderada em T1
Contrastes “estáticos”
• Contraste “dinâmico” • Imagens podem ser adquiridas com diferentes pesos de difusão (1-3) • Mapa de ADC (4)
Imagem
do tensor
de difusão
(DTI)
fMRI
- Contraste
BOLD
• fMRI: functional Magnetic Resonance
Imaging
• BOLD: Blood Oxygenation Level
Dependent
– Variação de sinal que ocorre nas imagens de RM devido à variação nas concentrações locais de oxihemoglobina e
desoxihemoglobina
– Oxihemoglobina (HbO): diamagnética
fMRI – características
• Medida indireta da ativação neuronal
– Fornece medidas do contraste BOLD (mistura de
variações no fluxo, volume e oxigenação do
sangue)
• Alta resolução espacial
(~ 27 mm
3)
• Possibilidade de enxergar o cérebro todo
(“alcance total”)
• Baixa resolução temporal
(~ 0.5 Hz / 2 s)
Ativação neuronal
• Vários metabólitos envolvidos • Funções não bem conhecidas • Como fazer medição in vivo?
– MRS: única técnica atual não-invasiva
Espectroscopia de RM (MRS)
• Imagem (MRI) => informação sobre distribuição espacial de núcleos • Espectro (MRS) => informação sobre propriedades químicas de núcleosFT
Deslocamento químico
• Núcleos (de um mesmo elemento) imersos em diferentes ambientes (moléculas) possuem frequências de ressonância levemente distintas
fMRS – características
• Medida da variação de metabólitos
subjacente à ativação neuronal
• Baixa resolução espacial
(~ 8 cm
3)
• Possibilidade de enxergar o cérebro todo
(“alcance total”)
• Baixíssima resolução temporal
(~ 0.003 Hz -> 5
min)
Aplicação: investigação da epilepsia
Artefato de gradiente
Artefato de gradiente
EEG com artefato filtrado Localização de atividade epileptiforme
Resultados combinados de
EEG e fMRI
Outros resultados
BOLD BOLD+HbR BOLD+HbO Movimento da mão direita
Conectividade neuronal
• Análise secundária feita a partir dos dados de
qualquer uma das técnicas descritas
• 3 “tipos”:
– Anatômica (Estrutural); Funcional; Efetiva
Conectividade anatômica
V5 V5
V2
V2 V1
Campo vetorial do tensor de difusão Tratos entre áreas visuais
Regiões de ativação BOLD Regiões de ativação ADC
DTI – tracking de fibras guiada por ativação
Conectividade funcional
• Estimada a partir
de dados da
dinâmica cerebral
“em repouso”
• Descrição da conectividade funcional usando grafos ou
redes complexas
• Grafo: conjunto de nós
(regiões cerebrais) e arestas (conexões)
• Podem ser usadas medidas específicas de grafos para caracterizar as redes
cerebrais, p.ex.:
– Grau de um nó e distribuição de graus (número de conexões
Conectividade efetiva
• Estimada a partir de
dados da dinâmica
cerebral relativos a
uma tarefa cognitiva
• Usa modelo
anatômico a priori
• Calcula influência de
uma área cerebral
em outra
Exemplo: estudo do sistema
motor
• Resultados:
– Planejamento: influência negativa – Execução: influência positiva
repouso
planejamento
planejamento
execução
Ganhador do
prêmio IgNobel de Neurociência de 2012
Conclusões
• Várias técnicas para estudo da dinâmica
cerebral
– Possuem características distintas e fornecem
informações de diferentes naturezas
• Combinação de técnicas => aumento da
informação
• Análises secundárias => também aumentam
informação
• Mas => necessário cuidado na realização dos
experimentos e análise dos dados obtidos
Obrigada!
slice selection
• Cada voxel na fatia selecionada tem:
– Valor de frequência e de fase dependente de sua localização espacial, e
– Intensidade dependente da densidade de prótons mag nit ud e FT
• FID medido: mistura dos sinais de todos os voxels da
fatia selecionada
• Componentes do FID são separadas via
Densidade de prótons
Ponderada em T2
Ponderada em T1
